История транзистора.

Исследователи из фирмы Bell Telephone Co. «Белл телефон лабораторис», Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн, были удостоены в 1956 г. Нобелевской премии по физике за открытие транзисторного эффекта.

К концу 40-х годов, когда вступили в действие первые большие электронные компьютеры, специалисты по технике связи начали искать замену громоздким и хрупким лампам, служившим усилителями. В центре внимания оказались кристаллические минералы под названием «полупроводники».

На рубеже XIX-XX вв. один из таких минералов, галенид (или сульфид свинца), играл ключевую роль в радиоприемниках. Контакт между кристаллом галенида и тончайшей (толщиной с волос) металлической проволочкой действовал как выпрямитель, обеспечивая тем самым прием радиосигналов. Какое-то довольно непродолжительное время подобный выпрямитель был единственным радио-детектором. Но эти ненадежные приборы в радиоприемниках в конце концов вытеснили вакуумные лампы, обладавшие к тому же способностью усиливать сигналы.

Однако во время второй мировой войны, когда стали применяться радиолокационные установки, вновь возникла потребность в старой технике. Радиолокаторы рассчитаны на прием сигналов очень высокой частоты, и медленнодействующие электронные лампы не могли без искажения выпрямлять эти сигналы. Исследователи вновь вернулись к проволочным волоскам, выяснив, что в сочетании с полупроводниками, а именно кремнием и германием, они работают прекрасно. Успех подхлестнул дальнейшие исследования в области полупроводников. Только в США этой проблемой занималось более десятка лабораторий.

Физики того времени уже немало знали об атомной структуре и электрических свойствах твердых тел. Например, было известно, что электрическая проводимость вещества зависит от того, насколько прочно ядро атома удерживает электроны. Большинство металлов являются хорошими проводниками, так как имеют огромное количество слабо связанных с атомным ядром электронов, которые легко притягиваются положительными зарядами и отталкиваться отрицательными. Движущиеся электроны это и есть носители электрического тока. С другой стороны, изоляторы, например резина, не проводят тока, поскольку у них электроны прочно связаны с атомами и не реагируют на воздействие внешнего электрического поля.

Полупроводники, свойства которых к началу войны были еще слабо изучены, ведут себя иначе. Атомы в кристаллах полупроводников образуют решетку, а их внешние электроны связаны силами химической природы. В чистом виде полупроводники действуют скорее подобно изоляторам: либо очень плохо проводят ток, либо не проводят вообще. Но стоит добавить в кристаллическую решетку небольшое количество атомов определенных элементов, как их поведение коренным образом меняется.

В некоторых случаях атомы примеси связываются с атомами полупроводника так, что образуются лишние электроны; избыток свободных электронов придает полупроводнику отрицательный заряд. В других случаях атомы примеси создают так называемые «дырки», которые способны «поглощать» электроны. Таким образом возникает недостаток электронов и полупроводник становится положительно заряженным. При соответствующих условиях полупроводники могут проводить электрический ток. Но в отличие от металлов они проводят его двояким образом. Отрицательно заряженный полупроводник стремится избавиться от лишних электронов: это проводимость n-типа (от negative - отрицательный). Носителями заряда в полупроводниках такого типа являются электроны. С другой стороны, положительно заряженные полупроводники притягивают электроны, заполняя дырки. Но, когда заполняется одна дырка, рядом возникает другая - покинутая электроном. Таким образом, дырки создают поток положительного заряда, который направлен в сторону, противоположную движению электронов. Это проводимость p-типа (от positive - положительный). В полупроводниках обоих типов так называемые неосновные носители заряда (электроны в полупроводниках p-типа и дырки в полупроводниках n-типа) поддерживают ток в направлении, обратном движению основных носителей заряда. Этим свойством полупроводников одно время пренебрегали, не умея оценить его по достоинству.

В конце 30-х годов было установлено, что полупроводники, подобно радиолампам, могут работать как выпрямители. Однако пока во время войны не начались интенсивные исследования, связанные с радиолокационной техникой, никто не понимал, что благодаря своим свойствам полупроводники могут служить надежными и эффективными переключателями и усилителями. В военный период исследователи разработали новые методы внесения примесей в кристаллы германия и кремния, что позволило создать полупроводниковые материалы с желаемыми электрическими свойствами. Например, введение незначительного количества фосфора порождает свободные электроны, и полупроводник приобретает проводимость n-типа. Добавление атомов бора, наоборот, создает дырки, и материал становится полупроводником p-типа.

Ученые Bell Telephone Co «Белл телефон лабораторис» (научно- исследовательской фирмы, входящей в компанию «Американ телефон энд телеграф», AT&T) , как и других научных центров, принимавшие участие в разработках военного времени, были уверены, что полупроводникам принадлежит будущее. Фирма AT&T остро нуждалась в новых приборах, способных заменить радиолампы и электромеханические реле, которые использовались как усилители и переключатели в системе телефонной связи, охватывающей всю страну. Летом 1945 г., незадолго до конца войны, фирма, мобилизовав свои огромные ресурсы, повела мощное наступление в области физики твердого тела. Ключевыми фигурами в группе физиков, перед которой стояла задача изучить свойства полупроводников, были Уолтер Браттейн, экспериментатор, имевший за плечами 16 лет работы в фирме Bell Labs, и Джон Бардин, молодой талантливый теоретик, лишь недавно пришедший в фирму.

Руководителем и признанным лидером группы был 35летний Уильям Шокли. Сын горного инженера, Шокли родился в Лондоне, но вырос в Пало-Альто (Калифорния). Несмотря на некоторую склонность к богеме, в работе он был предельно серьезен и «результативен». С самого начала исследований Шокли не забывал, что аналогичные работы ведутся в Университете Пердью.

На протяжении десятилетия Шокли вел исследования в области полупроводников. Еще важнее было, видимо, то, что он умел свести крупную исследовательскую проблему к простым элементам, правильно определив направление экспериментальных исследований. Однако в данном случае его подход к разработке полупроводникового усилителя, хотя и был теоретически верным, не выдержал экспериментальной проверки. Бардин и Браттейн, пытаясь разобраться в причинах неудачи, решили предпринять поиск в другом направлении. Они работали с германиевым кристаллом n-типа, припаянным к металлическому диску. К кристаллу были прижаты (находясь на расстоянии сотой доли сантиметра) кончики двух полосок золотой фольги толщиной с волосок. Третий металлический контакт, соединенный с базой металл - германий, был заземлен. 23 декабря 1947 г. Бардин и Браттейн подвели к одному из золотых контактов (который играл роль эмиттера) звуковой сигнал с небольшим положительным смещением. На другой золотой контакт (служивший коллектором) подавалось значительно большее отрицательное напряжение. В результате удалось приблизительно в 50 раз усилить сигнал, измеренный на коллекторе.

Наконец, после почти трехлетних исследований, потребовавших около миллиона долларов, фирма Bell Labs получила полупроводниковый усилитель. Успешное действие прибора предположительно объясняли тем, что носители положительного заряда, дырки, попадающие в германий из эмиттера, проходили через поверхностный слой кристалла к коллектору, увеличивая коллекторный ток. Поскольку ток проходил в том направлении, где он испытывает сопротивление, т. е. протекал через резистор, прибор сначала назвали трансрезистором, но быстро сократили его до транзистора. Окончательный вариант прибора, продемонстрированный общественности спустя полгода, не произвел особого впечатления на представителей ни New-York Times «Нью-Йорк Таймс», ни других периодических изданий. Даже сами изобретатели не испытывали полного удовлетворения от своего первого транзистора, получившего название «модель с точечными контактами. Устройство часто вело себя непредсказуемо, словно подчиняясь, как позже писал Шокли, «черной магии».

Желая, видимо, скомпенсировать свою отстраненность от непосредственного участия в этом изобретении, Шокли приступил к серии экспериментов, которые должны были объяснить процессы, протекающие в поверхностном слое точечного транзистора. Буквально в считанные дни он разработал основные положения теории того, что можно было рассматривать уже не как экспериментальный, а как настоящий транзистор, к тому же обладающий значительно лучшими характеристиками. Однако, чтобы сделать из него практически приемлемый прибор, потребовалось столько усилий и такое упорство, что его любовно прозвали «персистором» (от англ. persistence, что означает упорство, настойчивость).